2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2023.1 pmi-15777 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15777 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Development of composition and study of sorbent properties based on saponite Разработка состава и исследование свойств сорбента на основе сапонита Zubkova Olga S. Зубкова О. С. Zubkova Olga S. zubkova-phd@mail.ru 0000-0002-5833-528X Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Pyagay Igor N. Пягай И. Н. Pyagay Igor N. igor-pya@yandex.ru 0000-0003-2575-934X Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Pankratieva Ksenia A. Панкратьева К. А. Pankratieva Ksenia A. kseniapank21001@mail.ru 0000-0002-4332-1846 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Toropchina Maria A. Торопчина М. А. Toropchina Maria A. toropchina_maria@bk.ru 0000-0003-2228-7930 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) 27 02 2023 2023 259 21 29 22 03 2022 17 11 2022 27 02 2023 © Olga S. Zubkova, Igor N. Pyagay, Ksenia A. Pankratieva, Maria A. Toropchina 2023 О. С. Зубкова, И. Н. Пягай, К. А. Панкратьева, М. А. Торопчина Olga S. Zubkova, Igor N. Pyagay, Ksenia A. Pankratieva, Maria A. Toropchina CC BY 4.0 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15777

В связи с высокими требованиями природоохранного законодательства к сбросу промышленных сточных вод необходима разработка комплексного подхода к предотвращению загрязнения природных объектов. В различных отраслях производства для извлечения тяжелых металлов из сточных вод применяются адсорбенты. В данном исследовании рассматривается возможность использования сапонитовой глины в качестве сырья для производства сорбента с целью извлечения ионов меди Cu2+ из промышленных стоков, разработана рецептура и технология получения сорбента, а также установлен его химический состав. Установлено, что оптимальная температура для термообработки сорбента соответствует 550 ºС, так как при данной температуре сапонитовые экструдаты приобретают прочностные (прочность 34,1 кг/мм2) и текстурные свойства (удельная поверхность гранулы 22,803 м2/г), позволяющие применять их в качестве сорбентов. Исследование кинетики молекулярной адсорбции проведено при использовании модельных растворов сульфата меди (II). Эффективность извлечения ионов меди (II) из модельных растворов составляет 93 %. Эффективность извлечения ионов меди (II) из стоков омеднения достигает 94 %. Результаты СЭМ подтверждают наличие металла на поверхности сорбента.

The development of a comprehensive approach to preventing the pollution of natural objects is necessary due to the high requirements of environmental legislation for the discharge of industrial wastewater. Adsorbents are used in various industries to extract heavy metals from wastewater. In this study the possibility of using saponite clay as a raw material for the production of sorbent for the extraction of copper ions Cu2+ from industrial wastewater is considered, a recipe and technology of sorbent production are developed, and its chemical composition is established. It has been established that the optimum temperature for heat treatment of the sorbent and corresponds to 550 ºC, since at this temperature saponite extrudates acquire strength (strength 34.1 kg/mm2) and textural properties (specific surface area of pellets 22.803 m2/g), allowing them to be used as sorbents. The kinetics of molecular adsorption was studied using model solutions of copper (II) sulfate. The extraction efficiency of copper (II) ions from the model solutions is 93 %. Extraction efficiency of copper (II) ions from copper plating wastewater reaches 94 %. SEM results confirm the presence of metal on the sorbent surface.

 Ключевые слова сапонитовая глина сорбент сорбционная емкость удельная поверхность гидрометаллургия Keywords saponite clay sorbent sorption capacity specific surface area hydrometallurgy Каграманов Г.Г., Фарносова Е.Н., Лин М.М. и др. Удаление тяжелых металлов из шахтных сточных вод // Химическая промышленность сегодня. 2018. № 1. С. 44. Kagramanov G.G., Farnosova E.N., Lin M.M. et al. Removal of heavy metals from mine wastewater. Khimicheskaya promyshlennost segodnya. 2018. N 1, p. 44 (in Russian). Litvinenko V.S., Sergeev I.B. Innovations as a Factor in the Development of the Natural Resources Sector // Studies on Russian Economic Development. 2019. Vol. 30. Iss. 6. Р. 637-645. DOI: 10.1134/s107570071906011 Litvinenko V.S., Sergeev I.B. Innovations as a Factor in the Development of the Natural Resources Sector. Studies on Russian Economic Development. 2019. Vol. 30. Iss. 6, p. 637-645. DOI: 10.1134/s107570071906011 Jaspal D., Malviya A. Composites for Wastewater Purification: A Review // Chemosphere. 2019. Vol. 246. № 125788. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.12 Jaspal D., Malviya A. Composites for Wastewater Purification: A Review. Chemosphere. 2019. Vol. 246. N 125788. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.12 Кошелев А.В., Веденеева Н.В., Заматырина В.А. и др. Разработка технологии получения сорбентов на основе бентонитовых глин для систем очистки воды // Вода и экология: проблемы и решения. 2018. № 2 (74). С. 32-39. DOI: 10.23968/2305-3488.2018.20.2.32-39 Koshelev А.V., Vedeneeva N.V., Zamatyrina V.A. et al. Development of Technology for Obtaining Sorbents based on Bentonite Clays for Water Purification Systems. Water and Ecology. 2018. N 2 (74), p. 32-39 (in Russian). DOI: 10.23968/2305-3488.2018.20.2.32-39 Лебедев А.Б., Утков В.А., Халифа А.А. Использование спеченного сорбента для удаления сероводорода из отходящего промышленного газа при грануляции металлургических шлаков // Записки Горного института. 2019. Т. 237. С. 292-297. DOI: 10.31897/PMI.2019.3.292 Lebedev A.B., Utkov V.A., Khalifa A.A. Sintered Sorbent Utilization for H2S Removal from Industrial Flue Gas in the Process of Smelter Slag Granulation. Journal of Mining Institute. 2019. Vol. 237, p. 292-297. DOI: 10.31897/PMI.2019.3.292 Pashkevich M.A., Alekseenko A.V. Reutilization Prospects of Diamond Clay Tailings at the Lomonosov Mine, Northwestern Russia // Minerals. 2020. Vol. 10. Iss. 6. № 517. DOI: 10.3390/min10060517 Pashkevich M.A., Alekseenko A.V. Reutilization Prospects of Diamond Clay Tailings at the Lomonosov Mine, Northwestern Russia. Minerals. 2020. Vol. 10. Iss. 6. N 517. DOI: 10.3390/min10060517 Наквасина Е.Н., Романов Е.М., Шабанова Е.Н. и др. Применение сапонит-содержащих материалов в качестве минерального удобрения при выращивании картофеля в Архангельской области // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2019. № 1. С. 60-68. Nakvasina E.N., Romanov E.M., Shabanova E.N. et al. The Use of Saponite-Containing Materials as Mineral Fertilizers at the Cultivation of Potatoes in Arkhangelsk Region. Bulletin of KSAU. 2019. N 1, p. 60-68 (in Russian). Облицов А.Ю., Рогалев В.А. Перспективные направления утилизации отходов обогащения алмазоносной породы месторождения имени М.В.Ломоносова // Записки Горного института. 2012. Т. 195. С. 163-167. Oblitsov A.Y., Rogalev V.A. Prospective ways of diamondiferous rock enrichment wastes utilization at M.V.Lomonosov diamond deposit. Journal of Mining Institute. 2012. Vol. 195, p. 163-167 (in Russian). Besselink R., Stawski T.M., Freeman H.M. et al. Mechanism of saponite crystallization from a rapidly formed amorphous intermediate // Crystal Growth & Design. 2020. Vol. 20. Iss. 5. P. 3365-3373. DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00151 Besselink R., Stawski T.M., Freeman H.M. et al. Mechanism of saponite crystallization from a rapidly formed amorphous intermediate. Crystal Growth & Design. 2020. Vol. 20. Iss. 5, p. 3365-3373. DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00151 Миненко В.Г. Обоснование и разработка электрохимического метода извлечения сапонита из оборотных вод // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 3. С. 180-186. Minenko V.G. Justification and Design of Electrochemical Recovery of Saponite from Recycled Water. Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. N 3, p. 595-600. DOI: 10.1134/S106273911403020X Иванов М.В., Чиркст Д.Э. Изучение ионного обмена в грунтах с целью их очистки от тяжелых металлов // Записки Горного института. 2002. № 1 (150). C. 116-119. Ivanov M.V., Chirkst D.E. Study of ionic exchange in soils for the purpose of their purification from heavy metals. Journal of Mining Institute. 2002. N 1 (150), p. 116-119 (in Russian). Eren E. Removal of copper ions by modified Unye clay, Turkey // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 159. Iss. 2-3. P. 235-244. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.02.035 Eren E. Removal of copper ions by modified Unye clay, Turkey. Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 159. Iss. 2-3, p. 235-244. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.02.035 Smyshlyaeva K.I., Rudko V.A., Kuzmin K.A., Povarov V.G. Asphaltene genesis influence on the low-sulfur residual marine fuel sedimentation stability // Fuel. 2022. Vol. 328. № 125291. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.125291 Smyshlyaeva K.I., Rudko V.A., Kuzmin K.A., Povarov V.G. Asphaltene genesis influence on the low-sulfur residual marine fuel sedimentation stability. Fuel. 2022. Vol. 328. N 125291. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.125291 Камешков А.В., Кондрашева Н.К., Габдулхаков Р.Р., Рудко В.А. Сравнительная характеристика нефтяных коксующих добавок из различных видов нефтяного сырья // Цветные металлы. 2020. № 10. С. 35-42. DOI: 10.17580/tsm.2020.10.05 Kameshkov A.V., Kondrasheva N.K., Gabdulkhakov R.R., Rudko V.A. Comparison of coking additives obtained from different types of oil stock. Tsvetnye metally. 2020. N 10, p. 35-42. DOI: 10.17580/tsm.2020.10.05 Атаманова О.В., Тихомирова Е.И., Касымбеков Ж.К., Подоксенов А.А. Повышение сорбционной способности модифицированного бентонита при очистке сточных вод путем его активации // Вода и экология: проблемы и решения. 2020. № 1(81). DOI: 10.23968/2305-3488.2020.25.1.3-12 Atamanova O.V., Tikhomirova E.I., Kassymbekov Z.K., Podoksenov A.A. Improving the Sorption Ability of Modified Bentonite During Wastewater Treatment by Means of its Activation. Water and Ecology. 2020. N 1 (81). DOI: 10.23968/2305-3488.2020.25.1.3-12 Petra L., Billik P., Melichová Z., Komadel P. Mechanochemically activated saponite as materials for Cu2+ and Ni2+ removal from aqueous solutions // Applied Clay Science. 2017. № 143. Р. 22-28. DOI: 10.1016/j.clay.2017.03.012 Petra L., Billik P., Melichová Z., Komadel P. Mechanochemically activated saponite as materials for Cu2+ and Ni2+ removal from aqueous solutions. Applied Clay Science. 2017. N 143, p. 22-28. DOI: 10.1016/j.clay.2017.03.012 Litvinova Т., Kashurin R., Zhadovskiy I., Gerasev S. The Kinetic Aspects of the Dissolution of Slightly Soluble Lanthanoid Carbonates // Metals. 2021. Vol. 11. Iss. 11. № 1793. DOI: 10.3390/met11111793 Litvinova Т., Kashurin R., Zhadovskiy I., Gerasev S. The Kinetic Aspects of the Dissolution of Slightly Soluble Lanthanoid Carbonates. Metals. 2021. Vol. 11. Iss. 11. N 1793. DOI: 10.3390/met11111793 Xiaoliang Qi, Ruona Liu, Mengyu Chen et al. Removal of copper ions from water using polysaccharide-constructed hydrogels // Carbohydrate Polymers. 2019. Vol. 209. Р. 101-110. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.01.015 Xiaoliang Qi, Ruona Liu, Mengyu Chen et al. Removal of copper ions from water using polysaccharide-constructed hydrogels. Carbohydrate Polymers. 2019. Vol. 209, p. 101-110. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.01.015 Феденко Ю.Н., Печончик И.Ю. Влияние дозы бентонита на сорбционное извлечение Pb{2+} и Cd{2+} // Современные тенденции в развитии водоснабжения и водоотведения: Материалы Международной конференции, посвященной 145-летию УП «Минскводоканал», 13-14 февраля 2019, Минск, Беларусь. Белорусский государственный технологический университет, 2019. Ч. 2. С. 118-119. Fedenko Yu.N., Pechonchik I.Yu. Influence of bentonite dose on the sorption extraction of Pb{2+} and Cd{2+}. Sovremennye tendentsii v razvitii vodosnabzheniya i vodootvedeniya: Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii, posvyashchennoi 145-letiyu UP “Minskvodokanal”, 13-14 fevralya 2019, Minsk, Belarus'. Belorusskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2019. Part 2, p. 118-119 (in Russian). Курдюмов В.Р., Тимофеев К.Л., Мальцев Г.И., Лебедь А.Б. Сорбционное извлечение ионов никеля (II) и марганца (II) из водных растворов // Записки Горного института. 2020. Т. 242. С. 209-217. DOI: 10.31897/PMI.2020.2.209 Kurdiumov V.R., Timofeev K.L., Maltsev G.I., Lebed A. B. Sorption of nickel (II) and manganese (II) ions from aqueous solutions. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 242, p. 209-217. DOI: 10.31897/PMI.2020.2.209 Черемисина О.В., Черемисина Е.A., Пономарева М.А., Федоров А.Т. Сорбция координационных соединений редкоземельных элементов // Записки Горного института. 2020. Т. 244. С. 474-481. DOI: 10.31897/ PMI.2020.4.10 Cheremisina O.V., Cheremisina E.A., Ponomareva M.A., Fedorov А.Т. Sorption of rare earth coordination compounds. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 244, p. 474-481. DOI: 10.31897/PMI.2020.4.10 Kudinova A.A., Poltoratckaya M.E., Gabdulkhakov R.R. et al. Parameters influence establishment of the petroleum coke genesis on the structure and properties of a highly porous carbon material obtained by activation of KOH // Journal of Porous Materials. 2022. Vol. 29. P. 1599-1616. DOI: 10.1007/s10934-022-01287-1 Kudinova A.A., Poltoratckaya M.E., Gabdulkhakov R.R. et al. Parameters influence establishment of the petroleum coke genesis on the structure and properties of a highly porous carbon material obtained by activation of KOH. Journal of Porous Materials. 2022. Vol. 29, p. 1599-1616. DOI: 10.1007/s10934-022-01287-1 Kanmani P., Rhim J.W. Nano and Nanocomposite Antimicrobial Materials for Food Packaging Applications, Progress in Nanomaterials for Food Packaging // Future Medicine. 2014. Р. 34-48. DOI: 10.4155/ebo.13.303 Kanmani P., Rhim J.W. Nano and Nanocomposite Antimicrobial Materials for Food Packaging Applications, Progress in Nanomaterials for Food Packaging. Future Medicine. 2014, p. 34-48. DOI: 10.4155/ebo.13.303 Cheremisina O., Litvinova T., Sergeev V. et al. Application of the Organic Waste-Based Sorbent for the Purification of Aqueous Solutions // Water. 2021. Vol. 13. Iss. 21. № 3101. DOI: 10.3390/w13213101 Cheremisina O., Litvinova T., Sergeev V. et al. Application of the Organic Waste-Based Sorbent for the Purification of Aqueous Solutions. Water. 2021. Vol. 13. Iss. 21. N 3101. DOI: 10.3390/w13213101 Povarov V.G., Kopylova T.N., Sinyakova M.A., Rudko V.A. Quantitative Determination of Trace Heavy Metals and Selected Rock-Forming Elements in Porous Carbon Materials by the X-ray Fluorescence Method // ACS omega. 2021. Vol. 6. Iss. 38. P. 24595-24601. DOI: 10.1021/acsomega.1c00691 Povarov V.G., Kopylova T.N., Sinyakova M.A., Rudko V.A. Quantitative Determination of Trace Heavy Metals and Selected Rock-Forming Elements in Porous Carbon Materials by the X-ray Fluorescence Method. ACS omega. 2021. Vol. 6. Iss. 38, p. 24595-24601. DOI: 10.1021/acsomega.1c00691 Chirkst D.E., Litvinova T.E., Cheremisina O.V. et al. Isotherm of Strontium Sorption on Clay // Russian Journal of Applied Chemistry. 2003. Vol. 76. Р. 727-730. DOI: 10.1023/A:1026053002075 Chirkst D.E., Litvinova T.E., Cheremisina O.V. et al. Isotherm of Strontium Sorption on Clay. Russian Journal of Applied Chemistry. 2003. Vol. 76, p. 727-730. DOI: 10.1023/A:1026053002075 Bingjie Wang, Zhishan Bai, Haoran Jiang et al. Selective heavy metal removal and water purification by microfluidically-generated chitosan microspheres: Characteristics, modeling and application // Journal of Hazardous Materials. 2019. Vol. 364. P. 192-205. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.024 Bingjie Wang, Zhishan Bai, Haoran Jiang et al. Selective heavy metal removal and water purification by microfluidically-generated chitosan microspheres: Characteristics, modeling and application. Journal of Hazardous Materials. 2019. Vol. 364, p. 192-205. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.024 Alandis N.M., Mekhamer W., Aldayel O. et al. Adsorptive Applications of Montmorillonite Clay for the Removal of Ag(I) and Cu(II) from Aqueous Medium // Journal of Chemistry. 2019. № 7129014. DOI: 10.1155/2019/7129014 Alandis N.M., Mekhamer W., Aldayel O. et al. Adsorptive Applications of Montmorillonite Clay for the Removal of Ag(I) and Cu(II) from Aqueous Medium. Journal of Chemistry. 2019. N 7129014. DOI: 10.1155/2019/7129014 Jianlong Wang, Xuan Guo. Adsorption kinetic models: Physical meanings, applications, and solving methods // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 390. № 122156. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122156 Jianlong Wang, Xuan Guo. Adsorption kinetic models: Physical meanings, applications, and solving methods. Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 390. N 122156. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122156 Sen Gupta S., Bhattacharyya K.G. Adsorption of heavy metals on kaolinite and montmorillonite: a review // Physical Chemistry Chemical Physics. 2012. Vol. 14. Р. 6698-6723. DOI: 10.1039/c2cp40093f Sen Gupta S., Bhattacharyya K.G. Adsorption of heavy metals on kaolinite and montmorillonite: a review. Physical Chemistry Chemical Physics. 2012. Vol. 14, p. 6698-6723. DOI: 10.1039/c2cp40093f Uddin M.K. A review on the adsorption of heavy metals by clay minerals, with special focus on the past decade // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 308. P. 438-462. DOI: 10.1016/j.cej.2016.09.029 Uddin M.K. A review on the adsorption of heavy metals by clay minerals, with special focus on the past decade. Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 308, p. 438-462. DOI: 10.1016/j.cej.2016.09.029 Tangaraj V., Janot J.-M., Jaber M. et al. Adsorption and photophysical properties of fluorescent dyes over montmorillonite and saponite modified by surfactant // Chemosphere. 2017. Vol. 184. Р. 1355-1361. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.06.126 Tangaraj V., Janot J.-M., Jaber M. et al. Adsorption and photophysical properties of fluorescent dyes over montmorillonite and saponite modified by surfactant. Chemosphere. 2017. Vol. 184, p. 1355-1361. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.06.126 Makisha N., Yunchina M. Methods and solutions for galvanic waste water treatment // International Science Conference SPbWOSCE-2016 «SMART City», 15-17 November 2016, St. Petersburg, Russia. MATEC Web of Conferences, 2017. Vol. 106. № 07016. DOI: 10.1051/matecconf/20171060701 Makisha N., Yunchina M. Methods and solutions for galvanic waste water treatment. International Science Conference SPbWOSCE-2016 “SMART City”, 15-17 November 2016, St. Petersburg, Russia. MATEC Web of Conferences, 2017. Vol. 106. N 07016. DOI: 10.1051/matecconf/20171060701 Cardinale A.M., Carbone C., Consani S. et al. Layered Double Hydroxides for Remediation of Industrial Wastewater from a Galvanic Plant // Crystals. 2020. Vol. 10. Iss. 6. № 443. DOI: 10.3390/cryst10060443 Cardinale A.M., Carbone C., Consani S. et al. Layered Double Hydroxides for Remediation of Industrial Wastewater from a Galvanic Plant. Crystals. 2020. Vol. 10. Iss. 6. N 443. DOI: 10.3390/cryst10060443 Ciesielczyk F., Bartczak P., Klapiszewski Ł. et al. Treatment of model and galvanic waste solutions of copper(II) ions using a lignin/inorganic oxide hybrid as an effective sorbent // Journal of Hazardous Materials. 2017. Vol. 328. Р. 150-159. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.01.009 Ciesielczyk F., Bartczak P., Klapiszewski Ł. et al. Treatment of model and galvanic waste solutions of copper(II) ions using a lignin/inorganic oxide hybrid as an effective sorbent. Journal of Hazardous Materials. 2017. Vol. 328, p. 150-159. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.01.009